Основной реакцией, протекающей на воздушном катодном электроде щелочных топливных элементов (AFC), является реакция восстановления кислорода (ORR). Традиционные связующие вещества, такие как PTFE и PVDF, имеют ряд недостатков, в том числе склонность к быстрому разложению в щелочной среде, закупорку пор и загрязнение. Будучи водорастворимым эфиром целлюлозы, HPC может использоваться в качестве связующего вещества для электродов и пленкообразующего наполнителя, который совместим с высококонцентрированной сильнощелочной системой KOH в AFC и обладает множеством преимуществ с точки зрения электрохимии, производственного процесса и защиты окружающей среды.

Химическая стабильность в сильнощелочных системах (основное преимущество при подборе AFC)

1. Широкий диапазон значений pH и устойчивость к щелочам

Гидроксипропиловые боковые цепи молекул HPC защищают основную цепь целлюлозы, обеспечивая стабильный диапазон pH от 2 до 11. HPC устойчив к гидролитическому расщеплению цепей, что позволяет использовать его в течение длительного времени в электролитах KOH с концентрацией ниже 6 моль/л — стандартной концентрации для топливных элементов AFC. Напротив, PVDF подвергается быстрому дегидрофторированию и деградации в концентрированных щелочах, тогда как PTFE становится хрупким и выходит из строя в условиях высоких температур и сильной щелочности. HPC сохраняет целостность каркаса электрода в течение длительной эксплуатации и продлевает ресурс на более чем 30%.

2. Самоотверждение под действием соли с образованием структуры, фиксирующей поры

При контакте с сильнощелочными электролитами возникает умеренный эффект высаливания, что вызывает незначительное сшивание и отверждение полимерных цепей, обеспечивая прочную фиксацию углеродного порошка и частиц катализатора ORR. Не происходит ни коллапса, вызванного набуханием, ни закупорки газовых каналов. Сохраняются два пути для диффузии кислорода и проводимости OH⁻, что смягчает проблему затопления воздушных электродов.

3. Без фтора и без загрязнения побочными продуктами

Не содержащий фтора, HPC не выделяет HF или фторидных примесей во время циклов заряда и разряда, тем самым предотвращая отравливание катодных катализаторов из драгоценных и недрагоценных металлов в топливных элементах AFC. Это позволяет решить проблему постоянного снижения каталитической активности, характерную для традиционных фторированных связующих при длительной эксплуатации.

Преимущества микромасштабных пористых каналов и массопереноса (ускорение кинетики ORR)

1. Амфипатические иерархические поры для одновременного переноса газа, жидкости и ионов

Обладая как гидрофильными гидроксильными группами, так и гидрофобными пропильными группами, HPC после нанесения образует иерархические пористые пленки. Гидрофильные каналы проводят ионы OH⁻ и электролиты, в то время как гидрофобные поры транспортируют кислород, образуя трехфазные реакционные границы раздела. Катодное сопротивление поляризации резко снижается, а пиковая плотность мощности соответственно повышается.

2. Отсутствие блокировки каталитически активных центров

Для обеспечения функциональности связующего вещества достаточно низкой дозировки — всего 2%–5%, что позволяет получать тонкие проницаемые пленки, которые никогда не инкапсулируют частицы катализатора. Для сравнения: PTFE легко агломерируется, закрывая активные центры и подавляя кинетику восстановления кислорода.

3. Буферизация удержания воды для стабилизированных трехфазных границ раздела фаз

Гидроксильные группы наделяют HPC способностью удерживать воду, что позволяет поддерживать оптимальную влажность внутри электрода и предотвращать перебои в ионной проводимости, вызванные обезвоживанием катода в топливных элементах AFC. Материал подходит для эксплуатации в условиях низких температур и низкой влажности, обеспечивая более широкий диапазон допустимых рабочих параметров.

Реологические и технологические преимущества электродовых суспензий

1. Экологичный процесс производства на водной основе

В качестве растворителя используется исключительно чистая вода, что позволяет отказаться от токсичного NMP и других органических растворителей. В процессе производства достигается нулевой уровень выбросов летучих органических соединений (ЛОС), что сокращает затраты на оборудование взрывозащищенного назначения и очистку отходов. Данная технология совместима со всеми этапами производственного цикла изготовления электродов, включая нанесение покрытия на пластины, распыление и каландрирование.

2. Реология с разжижением при сдвиге, обеспечивающая превосходную однородность суспензии

Водные растворы HPC ведут себя как псевдопластичные жидкости: их вязкость снижается при перемешивании и под действием сдвиговых сил, возникающих при нанесении покрытия, что обеспечивает равномерное распределение углеродного порошка и катализаторов без образования агломератов. В состоянии покоя вязкость восстанавливается, что предотвращает осаждение и фазовое разделение суспензий, значительно повышая стабильность качества электродов от партии к партии.

3. Формирование пленки при низких температурах с превосходной механической гибкостью

При низкотемпературной сушке при температуре ниже 100 °C образуются сплошные когерентные связующие пленки, что позволяет избежать термического повреждения катализаторов из недрагоценных металлов. Эти гибкие пленки компенсируют объемные деформации во время циклов заряда-разряда, предотвращая растрескивание электродов и отслоение активных материалов, а также повышая механическую прочность электродов.

Экологические и экономические преимущества

1. Биоразлагаемое сырье на биологической основе

Изготовленные на основе натуральной целлюлозы отработанные электроды с составом HPC подвергаются мягкому разложению без образования стойких пластиковых отходов, что соответствует стандартам экологически безопасного производства устройств для хранения энергии.

2. Снижение затрат на сырье

По сравнению с ПТФЭ и перфторированными иономерами цена HPC при серийном производстве составляет лишь треть от стоимости фторированных связующих веществ, что позволяет существенно сократить затраты на материалы для воздушных электродов AFC.

Подробное резюме заявки

В качестве воздушных электродов щелочных топливных элементов HPC выступает в качестве экологически безопасной и более эффективной альтернативы традиционным фторированным связующим веществам. Благодаря трем основным преимуществам — устойчивости к воздействию щелочей, амфипатическому пористому массообмену и простоте обработки в водной среде — HPC оптимизирует трехфазный интерфейс для восстановления кислорода, снижает внутреннее сопротивление катода и продлевает срок службы батареи. Недостатки его характеристик проявляются лишь в условиях работы при сверхвысоких температурах и в среде сверхконцентрированных сильных щелочей, что можно компенсировать с помощью смешивания и модификационных обработок. HPC обладает широкими перспективами применения в гражданских низкотемпературных щелочных топливных элементах и портативных AFC для накопления энергии.